應(yīng)用型本科院校智能建造專業(yè)實驗室建設(shè)初探

黎小英，陳忠源，林 偉

（福州外語外貿(mào)學(xué)院智能建造學(xué)院，福州 350202）

互聯(lián)網(wǎng)時代 ，數(shù)字化催生著各個行業(yè)的變革與創(chuàng)新 ，建筑行業(yè)也不例外。近年來，建筑業(yè)面臨著生產(chǎn)效率低、勞動力短缺、事故率高以及成本逐年上升等問題。在數(shù)字化、智能化技術(shù)快速發(fā)展的背景下，智能建造被認為是建筑行業(yè)發(fā)展的方向。智能建造涵蓋建設(shè)工程的設(shè)計、生產(chǎn)和施工三個階段，借助物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、BIM等先進的信息技術(shù)，實現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈數(shù)據(jù)集成，為全生命周期管理提供支持。而智能建造專業(yè)就是在此背景下產(chǎn)生的新工科專業(yè)，其以智能化、信息化為主要特色，適應(yīng)了國家建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級的戰(zhàn)略需求[1-2]。智能建造專業(yè)的目標是培養(yǎng)具有應(yīng)用土木工程基本理論和智能建造知識的能力，掌握智能建造理論與基本方法，具有土木工程智能設(shè)計、施工以及管理等基本技能，能夠在房建、路橋等土木工程相關(guān)領(lǐng)域從事建筑全生命周期的數(shù)字化設(shè)計、工業(yè)化建造、自動化施工、智能運維與服務(wù)等工作，具有扎實的理論基礎(chǔ)和專業(yè)知識，能應(yīng)用工程原理綜合分析解決復(fù)雜問題，具有一定國際視野和終身學(xué)習能力，能面向未來的高素質(zhì)應(yīng)用型智能建造人才。

從同濟大學(xué)在2018年首次設(shè)置智能建造專業(yè)起，至今已有69所院校開設(shè)了該專業(yè)。福州外語外貿(mào)學(xué)院是福建省2020年首批招收智能建造專業(yè)本科生的三所院校之一[3]。作為一個新工科專業(yè)，學(xué)生專業(yè)實踐動手能力的培養(yǎng)是該專業(yè)人才培養(yǎng)的重點工作之一。面對新一代信息技術(shù)和智能建造引起的建筑業(yè)變革，如何培養(yǎng)適應(yīng)信息化技術(shù)需求、滿足行業(yè)轉(zhuǎn)型升級的具有較強實踐動手能力的應(yīng)用型智能建造人才已成為亟需解決的問題。要解決這個問題，實驗室的建設(shè)是關(guān)鍵，本文主要對應(yīng)用型本科院校新增智能建造專業(yè)后校內(nèi)實驗室的建設(shè)進行探討。

1 智能建造專業(yè)實踐課程探索

作為一個跨多學(xué)科的新工科專業(yè)，智能建造的專業(yè)課程體系還未完全構(gòu)建，尚在摸索階段[4]。除了土木工程，智能建造還涉及到計算機、機械、自動化等專業(yè)課程，在有限的學(xué)時里，如何在緊扣智能建造培養(yǎng)目標的前提下，合理有效地設(shè)置課程體系至關(guān)重要。而對于該專業(yè)課程體系設(shè)置來說，實踐課程體系的設(shè)計貫穿整個智能建造實踐教學(xué)環(huán)節(jié)[5]。智能建造專業(yè)從2018年開始招生，在這期間有學(xué)者對智能建造的實踐課程體系進行了探索與實踐。劉世平等[6]對智能建造專業(yè)實踐性教學(xué)方案進行重新設(shè)計，在實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計理念、教學(xué)初步方案、管理模式、師資建設(shè)等方面進行了深入思考。涂勁松等[7]在分析新工科背景的基礎(chǔ)上構(gòu)建了地方應(yīng)用型本科智能建造專業(yè)的實踐課程體系，通過融入校企共建實驗室、訂單式培養(yǎng)等構(gòu)建了四年不斷線的多層次、多專業(yè)、學(xué)科交叉的應(yīng)用型實踐教學(xué)體系。占玉林等[8]對智能建造虛擬仿真實驗教學(xué)平臺進行了研究與探索，并提出了“一個平臺、四個板塊、八大系統(tǒng)”的實驗資源體系和“一條主線、兩個階段、三類課堂”的實驗教學(xué)體系。劉占省等[9]探討了裝配式建筑虛擬仿真實訓(xùn)實習二合一訓(xùn)練基地，設(shè)計了六大區(qū)域模塊實習實訓(xùn)內(nèi)容與課堂教學(xué)一一對應(yīng)，較好地提高了學(xué)生學(xué)習的參與度，鍛煉了學(xué)生的操作能力。顧穎[10]探討了一種以理論為指導(dǎo)、以專業(yè)技術(shù)實踐為內(nèi)容的多學(xué)科綜合性實訓(xùn)中心的建設(shè)方案，該方案擬建實訓(xùn)中心包含綠色建筑與智能建造綜合實訓(xùn)大樓、大型公共建筑的節(jié)能運行與監(jiān)管實踐區(qū)、工程實體模型實踐區(qū)、裝配式建筑實踐區(qū)等四個區(qū)域。從目前已有的研究來看，對于智能建造專業(yè)實踐教學(xué)體系的探索已經(jīng)取得了相應(yīng)的成果，福州外語外貿(mào)學(xué)院根據(jù)各專家的建議以及學(xué)校的特色，制定出了一系列實踐教學(xué)課程體系，如圖1所示。

圖1 智能建造專業(yè)實踐課程體系

2 智能建造專業(yè)實踐課程建設(shè)思路

對于應(yīng)用型本科院校來說，人才培養(yǎng)的最終目的是要培養(yǎng)應(yīng)用型人才，要緊跟行業(yè)最新發(fā)展動態(tài)，以市場為導(dǎo)向培養(yǎng)優(yōu)秀人才。實踐教學(xué)環(huán)節(jié)是人才培養(yǎng)的重點，而實驗室的建設(shè)則是為了更好地支撐和服務(wù)實踐教學(xué)。實驗室建設(shè)要以改革和創(chuàng)新為出發(fā)點，以智能建造專業(yè)的特色學(xué)科建設(shè)為基礎(chǔ)，以教師隊伍建設(shè)為關(guān)鍵，以服務(wù)行業(yè)及社會為導(dǎo)向，將平臺建設(shè)成具有先進教學(xué)理念、實驗實訓(xùn)條件優(yōu)異、教學(xué)體系完善、功能配置合理、集人才培養(yǎng)及服務(wù)行業(yè)社會為一體的特色智能建造類現(xiàn)代化實驗室[11]。在建設(shè)過程中，應(yīng)以學(xué)生為主體，鼓勵學(xué)生積極主動地參與實驗實訓(xùn)，并通過多種方式為學(xué)生提供實驗室服務(wù)，以進一步提高學(xué)生的自主探索學(xué)習能力、創(chuàng)新能力、工程實踐動手能力以及現(xiàn)代化設(shè)備技術(shù)應(yīng)用能力。

3 智能建造專業(yè)實踐課程建設(shè)內(nèi)容

智能建造專業(yè)是在土木工程基礎(chǔ)上發(fā)展而來，因此，在原有土木工程實驗室的基礎(chǔ)之上，有些實驗室可以經(jīng)過升級改造繼續(xù)為智能建造專業(yè)服務(wù)，例如工程測量實驗室、VR虛擬仿真實驗室等。但若僅按照原來土木工程的實驗室進行教學(xué)遠不能滿足智能建造專業(yè)學(xué)生的實踐要求，因此在緊扣智能建造專業(yè)的培養(yǎng)目標下，還需探索建立一批新的實驗室以滿足該專業(yè)的實踐教學(xué)要求。

3.1 實驗室升級

3.1.1 工程測量實驗室升級 隨著近年來無人機航空攝影技術(shù)的進步, 越來越多的測繪工作應(yīng)用無人機獲取影像數(shù)據(jù)[12]。無人機具有高精度的現(xiàn)場信息收集能力，可為工程建設(shè)全周期提供相應(yīng)的技術(shù)支持，為建筑行業(yè)多維度、信息化及數(shù)字化的發(fā)展提供了新思路。在智能建造專業(yè)的工程測量課程中新增無人機測繪的內(nèi)容順應(yīng)了建筑業(yè)改革的時代需求。緊跟行業(yè)最新發(fā)展動態(tài)，以市場為導(dǎo)向培養(yǎng)優(yōu)秀人才，對智能建造專業(yè)學(xué)生開展無人機測繪技術(shù)的學(xué)習，并對學(xué)生提供無人機操作技能的培訓(xùn)，為社會、為企業(yè)培養(yǎng)實踐動手能力強的工程測量專業(yè)技術(shù)人才，提高智能建造專業(yè)學(xué)生的就業(yè)競爭力。工程測量無人機測繪力求形成工學(xué)結(jié)合、產(chǎn)學(xué)研結(jié)合、校企合作實訓(xùn)體系，通過校企合作的模式，不斷完善實驗室的建設(shè)，為企業(yè)培養(yǎng)和輸送大量綜合能力強、素質(zhì)高的復(fù)合型工程技術(shù)人才，擴大學(xué)校社會影響力。該實驗室建成后也可開展UTC證書的培訓(xùn)和取證業(yè)務(wù)，該證書為由中國航空運輸協(xié)會通用委員會認證的《UTC無人駕駛航空器系統(tǒng)操作手合格證》，可進一步提升高等院校的社會服務(wù)能力。

3.1.2 VR虛擬仿真實驗室升級 虛擬仿真實驗教學(xué)項目，是推進現(xiàn)代信息技術(shù)融入實驗教學(xué)項目、拓展實驗教學(xué)內(nèi)容廣度和深度、延伸實驗教學(xué)時間和空間、提升實驗教學(xué)質(zhì)量和水平的重要舉措。虛擬仿真實驗充分利用信息技術(shù)將傳統(tǒng)的土木工程設(shè)計、施工、工程管理與智能建造專業(yè)的各類實驗教學(xué)資源融為一體，構(gòu)建虛實結(jié)合的實驗教學(xué)平臺，高度還原工程建筑行業(yè)一線崗位的工作環(huán)境。智能建造專業(yè)涉及裝配式建筑混凝土結(jié)構(gòu)、土木工程智慧運維與管理、智能施工裝備、系統(tǒng)仿真技術(shù)等課程，在原有土木工程虛擬仿真實驗的基礎(chǔ)上可新增裝配式施工虛擬仿真、智能裝備與施工虛擬仿真、智能運維與管理虛擬仿真等軟件系統(tǒng)。通過虛擬仿真實驗，可最大程度上解決校內(nèi)學(xué)生實驗資源消耗大、成本高、實驗設(shè)備體積大、實驗場地不足、工程建造周期長等一系列問題，可快速提升學(xué)生職業(yè)能力，并不斷提高教師信息化水平[13]。

3.2 新建實驗室

3.2.1 裝配式建筑模型實驗室 現(xiàn)階段工程建筑產(chǎn)業(yè)智能化的內(nèi)涵是以發(fā)展裝配式建筑為切入口，以工業(yè)化、信息化管理為驅(qū)動力。建筑工業(yè)化要求智能建造專業(yè)的學(xué)生具備多學(xué)科的知識與技能，掌握裝配式建筑設(shè)計、施工等技術(shù)方法。根據(jù)智能建造專業(yè)教學(xué)體系的要求，可建設(shè)裝配式模型實驗室，以滿足學(xué)生的認知教學(xué)，普及裝配式建筑知識，此模型實驗室的建設(shè)可參考南京大學(xué)金陵學(xué)院的裝配式模型實驗室建設(shè)，并根據(jù)本院校實際情況做相應(yīng)調(diào)整[14]。

裝配式模型實驗室可分為二大區(qū)域。第一個區(qū)域為裝配式建筑的典型構(gòu)件及構(gòu)造節(jié)點區(qū)，可展示包括疊合板、疊合梁、預(yù)制柱、預(yù)制剪力墻、預(yù)制樓梯、外掛板等構(gòu)件模型和連接節(jié)點構(gòu)造。所有的構(gòu)件要求節(jié)點裸露，并配有二維碼資源，對裝配式構(gòu)件的設(shè)計、深化設(shè)計以及施工技術(shù)等進行詳細地介紹，學(xué)生可通過手機掃描二維碼進行學(xué)習。第二個區(qū)域為構(gòu)件組裝區(qū)域，該區(qū)域配置多套縮尺拼裝建筑，包括框架式裝配建筑和剪力墻式裝配建筑，可通過“拼積木”的方式讓學(xué)生體驗裝配式建筑的組裝過程。每套模型同樣配有二維碼資源，學(xué)生可通過二維碼掃描，了解裝配式建筑的施工順序、施工工藝等信息。

3.2.2 智慧工地實驗室 智慧工地是當前智能建造背景下發(fā)展形成的工程現(xiàn)場一體化的一種嶄新管理模式。然而，由于安全、成本、耗時等因素，學(xué)生較難深入工地進行實習實踐。為此，在學(xué)校內(nèi)建立智慧工地實驗室為解決上述問題提供了新思路。目前，哈爾濱工業(yè)大學(xué)已建立智慧工地實驗室，該實驗室可模擬施工現(xiàn)場的復(fù)雜情景，使學(xué)生在校園內(nèi)便可獲得實踐機會[15]。

智慧工地實驗室的建立優(yōu)先考慮校企合作機制，利用企業(yè)資源獲取真實工程項目數(shù)據(jù)，建立工程案例數(shù)據(jù)庫。同時，該實驗室設(shè)備系統(tǒng)盡可能涉及智慧工地管理的五大方面，包括安全監(jiān)管、物料管理、進度管理、辦公管理以及人員管理，以較真實地達到模擬施工現(xiàn)場的效果。實驗室通過充分捕捉施工現(xiàn)場復(fù)雜情景信息，制造出虛擬的實踐教學(xué)空間，學(xué)生通過實驗設(shè)備系統(tǒng)在虛擬的情景中解決不同的施工問題，體驗施工現(xiàn)場的流程和操作，達到實踐的目的。

3.2.3 工程安全智能化監(jiān)測與預(yù)警實驗室 智能建造專業(yè)的主要發(fā)展定位于智能建造過程中的智能化檢測、監(jiān)測與管理。目前該專業(yè)的人才培養(yǎng)方案中已開設(shè)了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、建筑工程智能檢測技術(shù)以及路橋工程智能檢測技術(shù)等課程，還需要開展一定的實驗實訓(xùn)。因此建設(shè)工程安全智能化監(jiān)測與預(yù)警實驗室，將有力地培養(yǎng)學(xué)生的智能化監(jiān)測與預(yù)警能力，進一步凸顯“信息+”特點及智能建造專業(yè)的“智能檢測監(jiān)測”的發(fā)展定位。

實驗室購買相關(guān)的檢測與監(jiān)測設(shè)備后，可以學(xué)校實體建筑物構(gòu)筑物為真實案例，真實展示建筑工程的安全監(jiān)測全過程[16]。安全監(jiān)測的內(nèi)容可以是溫度、建筑物水平位移、垂直位移、相對變形、擋土墻變形、裂縫寬度監(jiān)測、土體不均勻沉降、土壓力、混凝土應(yīng)力應(yīng)變、鋼筋應(yīng)力、地基沉降以及建筑物傾斜等內(nèi)容。上述監(jiān)測的數(shù)據(jù)傳入實驗室大數(shù)據(jù)中心，學(xué)生可以對上述的真實數(shù)據(jù)進行分析處理，以達到真實訓(xùn)練的目的。

4 結(jié) 語

智能建造專業(yè)的創(chuàng)建是為了滿足智能建造在國內(nèi)的快速應(yīng)用與發(fā)展而產(chǎn)生的人才需求。本文對智能建造專業(yè)實驗室的建設(shè)進行探索，并提出了實驗室的建設(shè)思路，首先提出了適應(yīng)于智能建造培養(yǎng)計劃的實驗室建設(shè)的“兩大升級”，即工程測量實驗室升級和VR虛擬仿真實驗室升級；接著探索了實驗室的“三大新建”，即新建裝配式建筑模型實驗室、智慧工地實驗室和工程安全智能化監(jiān)測與預(yù)警實驗室。對于一個新專業(yè)而言，智能建造專業(yè)的建設(shè)才剛拉開序幕，本文對智能建造專業(yè)實驗室建設(shè)進行了一些初步探索，希望能夠?qū)φ诮ㄔO(shè)智能建造專業(yè)的院校有所啟發(fā)。